抽油机位置及状态智能监测系统

关学忠 孙立刚 李 欣 于芳菲

(东北石油大学，黑龙江 大庆 163318)

随着油田的扩建，很多抽油机由于采油年限过长和设备破损老化的原因出现停机，加之油田地理位置一般处于偏僻野外，迄今没有一个精确合理的管理办法来对抽油机状态进行智能监测，统一管理，因此抽油机停机引发的一系列问题也是层出不穷[1]。针对这个问题，笔者设计了一套抽油机位置及状态智能监测系统，可以系统的对油田停机油井进行精确定位，统一管理监测，并将故障信息通过GPRS发送给上位机，通知油田管理人员对停机油井及时进行故障诊断，减少不必要的损失。

1 总体设计①

抽油机位置及状态智能监测系统以AVR单片机作为系统的控制核心，通过GPS卫星定位模块对油田的每个抽油机进行精确定位，利用水银开关触发单片机中断，进行抽油机固定时间上下往返次数记录，当抽油机停机时，记录的上下往返次数不符实际要求，返回故障信息。另外通过SIM900A通信模块监测控制板的实时温度、实时时间以及信号强度等信息，所有信息通过SIM900A通信模块传至上位机控制中心，通过上位机界面了解抽油机的停机时间和地理位置等详细信息，进行及时维护，避免意外损失。抽油机位置及状态智能监测系统框图如图1所示。

图1 抽油机位置及状态智能监测系统框图

2 硬件设计

2.1 控制模块

本系统采用Atmega644PV单片机作为主控制器，协调其他各个模块共同工作，Atmega644PV单片机基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器[2]。由于其先进的指令集和单时钟周期指令执行时间，ATmega644PV的数据吞吐率高达20MHz，从而可以缓解系统在功耗和处理速度之间的矛盾。内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器，可片内调试与编程，具有差分可编程增益输入的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口和6种睡眠模式：空闲模式、ADC噪声抑制、省电、掉电、待机和扩展待机。

2.2 GPS定位模块

本次设计定位部分采用的是GS-87卫星定位模块，模块有外置天线，适合于野外环境，数据可以每40s发送一次。数据帧包含模块定位状态和抽油机所在位置的经纬度信息[3]。GPS定位模块正常工作时的电压为4.3V，模块的TXD、RXD与Atmega644PV单片机的PD2、PD3串口进行连接，读取GPS的数据信息，AVR单片机与GPS模块的引脚如图2所示。

图2 GPS模块与AVR单片机连接电路

2.3 GPRS数据传输模块

SIM900A模块是一款尺寸紧凑的GSM/GPRS模块，采用SMT封装，基于STE的单芯片，采用ARM926EJ-S架构,性能强大，可以内置客户应用程序。SIM900A模块可广泛应用于车载跟踪、车队管理、无线POS、手持PDA、智能抄表与电力监控等众多方向[4]。 SIM900A有易于客户生产加工，低功耗，供电范围宽，支持回声抑制算法，可以基于不同客户设备通过AT命令调节回音抑制消除等特点。

SIM900A模块的TXD、RXD和Atmega644PV单片机的PD0、PD1串口进行连接[5]，SIM900A模块采用单电源供电，VBAT供电范围3.2～4.8V之间，推荐电压为4.0V， 模块射频发射时会导致电压跌落，这时电流的峰值最高会达到2A以上，因此电源供电能力尽可能达到2A，并建议VBAT引脚并接大电容。当抽油机停转时，通过单片机的PB4引脚进行故障检测，及时为SIM900A模块供电，通过PC0使SIM900A模块开机，然后SIM900A模块将采集到的抽油机故障信息、经纬度信息及温度信息等通过单片机串口发送给上位机软件，通过电子地图找到故障抽油机的位置[6]。数据发送完毕，SIM900A模块再次处于关机状态，使系统处于一个低功耗状态。

2.4 状态检测模块

抽油机工作状态检测电路用到水银开关，两个水银开关和AVR单片机的两个外中断进行连接。设计保证抽油机在正常运转时，始终有且仅有一个水银开关处于中断触发状态，进入单片机中断后，在一定周期内记录中断触发次数，当抽油机停转时，将故障信息通过GPRS发送出去。

3 结束语

抽油机位置及状态智能监测系统采用低功耗电路设计，保证电路长期可靠稳定的工作。而且能够对油田故障抽油机进行精确定位，保证油田管理人员对停机油井进行及时故障诊断，减少不必要的损失。